[发明专利]一种界面双向数据交换的流固耦合计算方法

说明书

本发明涉及流固耦合技术领域，具体涉及一种基于界面双向数据交换的流固耦合计算方法，该方法固体域计算结构动力学采用商用软件ABAQUS的隐式算法，计算流体动力学则采用Fluent平台进行计算，最终两者计算的数据以MPCCI平台进行交换，利用流体域/固体域界面上的数据耦合交换的方法，对建立的CFD/CSD模型进行求解，把流体域力场与固体域基础结构承载能力紧密联系起来，以达到解决工程中的水力学与结构耦合计算问题研究的目的。

技术领域

本发明属于流固耦合计算方法技术领域，具体涉及一种界面双向数据交换的流固耦合计算方法。

背景技术

流固耦合作用是自然界客观存在的一种特殊现象，是指流体与固体之间的相互作用，在自然界随处可见，但是流体域与固体域均不可单独求解，因此要解决这个问题，需要将流固耦合然后进行求解。流固耦合力学是流体力学与固体力学及交叉形成的一门力学分支，是研究流体固体两种介质相互作用的一种具体手段。目前国内外针对流体域-固体域耦合在一起进行计算的研究均有不同程度的优势和缺陷，传统计算的做法是分别计算水体与固体的作用，在水体域计算中固体域的边界被设置为刚体，在固体域计算中流体域的作用通过简化的荷载形式进行施加，由于水体域与固体域在计算中会相互影响，故单单考虑水体或固体域结构并不能满足实际需求，为了解决这种矛盾，就必须想办法将流体域和固体域相结合，考虑它们之间相互作用的影响，因此对于流固耦合问题的研究势在必行。

发明内容

针对目前流固耦合方法存在的缺陷和问题，本发明提供一种界面双向数据交换的流固耦合计算方法，该方法通过双向耦合，将流体力场与固定基础结构承载能力紧密联系起来，为研究结构损伤发展及变化的规律，以及耦联系统结构的流固耦合作用机理与损伤破坏模式提供技术支持。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种界面双向数据交换的流固耦合计算方法，包括以下步骤：

Step1、建立固体域模型：固体域计算结构动力学采用商用软件ABAQUS的隐式算法，建立CSD固体域有限元模型。

Step2、对固体域模型进行有限元网格划分，再设置固体域单元类型和材料属性，进一步对固体域模型分别施加约束条件和施加载荷条件进行结构分析，使其与实际条件相符。

Step3、建立流体域模型：计算流体动力学则采用Fluent平台进行计算，形成CFD流体分体模型。

Step4、对流体域模型进行流体域网格划分，并对网格质量检查，网格质量合格时，对边界条件和初始条件进行设置；网格质量不合格时继续对网格质量进行检查，然后通过动网格技术进行网格重构并对流场进行模拟，使其与实际条件相符。

Step5、生成动网格：分别将Step1中的CSD固体域有限元模型和Step2中的CFD流体分体模型通过MPCCI联合起来进行计算生成动网格。

Step6、建立流固耦合的数据交换模型：通过流固耦合数据交换类型将流场模拟、动网格技术折合成固体域的施加荷载，并施加在固体域上；数据交换是通过设置流固交界面来编辑水体与渠道面板之间的相互作用，动网格间数据交换是在数据传递过程中采用双向耦合的方法，所述动网格间流固耦合过程分为三步：

1、预接触搜索：通过对流体域与固体域交界面处的单元进行分类，分别记录源网格和目标网格上的单元信息，为下一步的网格联系做准备；

2、网格联系：流体域与固体域交界面处的网格是不匹配的，流体域网格要想与固体域网格进行数据传递，每一组源网格均需与对应的一组目标网格建立联系从而为插值计算做准备；

3、通过插值函数进行插值计算：通过插值算法进行耦合界面间的数据交换，插值算法需要同时满足位移连续性条件和动力连续性条件；

a位移连续性条件：u_f＝u_s